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1、毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：两足行走机器人 头部及身体结构部分的设计 指 导 教 师:开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内
2、，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 本文有四个部分，详细介绍了研究机器人的原因，两足步行机器人的应用前景，国内外两足步行机器人的现状及发展趋势。关键词 原因 前景 现状及发
3、展趋势1 研究两足步行机器人的原因世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具备为扩大机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景研究两足步行机器人的原因，概括起来有如下4个：(1)我们希望研制出两足步行机构，使它们能在许多结构性和非结构性环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大凡类的活动领域。(2)我们希望更多地了解和掌握人类的步行特性，并利用这些特性为人类服务。(3)两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，在这一方面的研究可以拓宽力学及机器人学的研究方向。(4)两足步行机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用1。2 两
4、足步行机器人应用前景实用的两足步行机器人由两条腿和一个平台(腰部)组成。腿的作用是为平台提供移动能力，而平台的作用则是提供一个基础，以便安装机械手、CCD摄象机、机载计算机控制系统和蓄电池。显然，这种带机械手的两足步行机器人能非常灵活地从事较多的工作。但是，对于这种两足步行机器人来说，平台的稳定性对于有效地控制机械手末端操作器的位置和姿态是至关重要的，而两条腿的步态又对平台的稳定性起决定作用。因此，如何规划好腿的步态，协调地控制两条腿的运动以保持平台及整个两足步行机器人的稳定就成为一个主要问题2。目前，两足步行机器人的应用领域主要是康复医学。从长远来看，两足步行机器人在无人工厂、核电站、海底开
5、发、宇宙探索、康复医学以及教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景3。3 两足步行机器人研究的现状从8O年代中期到现在，虽然理论研究和样机研制不象1985年以前那样丰富，但也颇具特色。重要的是，国内正是在这一时期全面开展了两足步行机器人的研究。下面，首先看看美国的有关情况4。1985年，美国的Hodgins和Raibert等人研制了一个用来进行奔跑运动和表演体操动作的平面型两足步行机器人，这个机器人有3个自由度。1986年，他们用这个机器人进行奔跑实验，着重研究奔跑过程中出现的弹射飞行状态。在实验中，这个机器人的最大速度高达4.3米/秒。1988年和1990年，他们又用这个机器
6、人进行翻筋斗动作实验。Hodgins和Raibert研究这两种运动是因为它们含有丰富的动力学内容，尤其是两者都具有弹射飞行状态5。在美国研究两足步行机器人的科学家中，郑元芳(Y.F.Zheng)博士是一个非常杰出的人物。他在80年代初由中国去了美国，并于1984年在俄亥俄州立大学获博士学位，然后一直在克莱姆森大学工作，最近又回到俄亥俄州立大学任职。在克莱姆森大学期间，他主持研制了两台步行机器人，分别命名为SD-1和SD-2。SD-l具有4个自由度，SD-2则有8个自由度。其中，SD-2是美国第一台真正拟人的两足步行机器人。1986年，SD-2机器人成功地实现了平地上前进、后退以及左、右侧行。1
7、987年，这个机器人又成功地实现了动态步行。郑元芳博士也因他在机器人领域的突出贡献而获得美国1987年度“总统青年研究员”奖6 。1984年，郑元芳博士对两足步行机器人与环境接触时的碰撞效应进行了研究。1987年，他提出了一种用于两足步行机器人运动控制的监控系统。1989年，他研究了两足步行机器人的扰动抑制问题。1990年他首次提出了使两足步行机器人能走斜坡的控制方案，并利用SD-2机器人进行了成功的实验 。此外，郑元芳博士还从神经生理学的角度对人类肌肉的多级传感与多级驱动原理进行了研究，并提出了采用这种原理设计两足步行机器人的方法7。下面我们再看看国内在两足步行机器人方面的研究情况。我国从8
8、0年代中期才开始研究两足步行机器人，当时主要的研究单位是哈尔滨工业大学和国防科技大学8。哈尔滨工业大学研制成功的第一台两足步行机器人重7Okg，高l10cm，有10个自由度，采用直流电机经谐波减速驱动，控制系统由一台IBMPC/XT计算机和l0个MCS一51单片机系统组成。1989年l0月，这个机器人实现了平地上的前进，左、右侧行以及上、下楼梯的运动，步幅可达45cm，步速为l0秒/步，为静态步行。最近哈尔滨工业大学又研制了一台l2自由度的两足步行机器人，并正在进行动态步行的实验9。我们南京航空学院从1989年秋天起也开展了一个两足步行机器人的研究计划，现在已研制出一台8自由度空间运动型的两足
9、步行机器人，命名为NAIWR-1。目前，这一计划正在实施中10。总观起来，两足步行机器人研究的现状是：国外，主要是日本和美国，对两足步行机器人的研究已经达到了相当高的水平，研制出了能静态或动态行走的多种样机11。国内由于起步较晚，前一段刚完成静态稳定步行的研究，目前，正处于准动态和动态稳定步行的研究阶段12。虽然国内的研究水平还不象国外那样高，但在短短的五六年时间能达到今天的水平，已经是相当惊人的了13！4 两足步行机器人研究的发展趋势概括起来，两足步行机器人的发展趋势包括如下l0个方面：(1)能动态稳定地高速步行 。(2)能以自由步态全方位灵活行走。(3)具有良好的地形适应性。(4)具有极强
10、的越障和回避能力。(5)具有很高的载重/自重比。(6)可靠性高、工作寿命长。(7)具有丰富的内感知和外感知系统。(8)控制系统和能源装置机载化。(9)具有完全的自律能力。(10)具有灵活的操作能力(安装一个或多个机械手) 14，15。6结束语本文较详细地介绍了国内外两足步行机器人研究的主要情况。我们相信，随着整个机器人技术及相关技术的发展，在不久的将来，两足步行机器人一定能够真正进入实用化阶段，在各行各业中发挥重要作用。参 考 文 献1 Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page LtdJ.Lo
11、ndon,1985. 2 Hemamu H , Weimer F C.Koozekananit S H .Some aspects of the inverted pendulurn problem for modelling of Iocomotion systemrJ. Proc of 1973 JACC.3 白井良明著. 王棣棠译. 机器人工程M. 北京：科学出版社，2001年2月.4 熊有伦.机器人技术基础M.武汉：华中理工大学出版社，1996.5 王志良.竞赛机器人制作技术M.北京：机械工业出版社，2007.6 成大先.机械设计手册（第4版）M.北京：化学工业出版社，2002.7 熊
12、有伦.机器人技术基础M.武汉：华中理工大学出版社，1996.8 机械设计手册编委会. 机械设计手册M. 北京：机械工业出版社，2007年7月.9 马香峰. 机器人机构学M. 北京: 机械工业出版社, 1991.10 龚振邦等. 机器人机械设计M. 北京：电子工业出版社，1995年6月.11 吴瑞祥. 机器人技术及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社，1994. 12 熊有伦.机器人技术基础M.武汉：华中理工大学出版社，1996.13 David Cook.机器人制作M.北京：北京航空航天大学出版社，2005. 14 费仁元等.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998.15 兵
13、工210所. 机器人技术与应用J. 双月刊,有关文章. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题是设计两足行走机器人头部及身体结构，能够实现头部摆动及身体转动的功能。主要设计难点是机器人头部的自由摆动问题以及与身体运动的协调问题。我们小组设计小组选择简单的控制系统实现模拟人类行走的机器人，以此提高我们的机械设计创新能力。 我们采用以下创新点(1) 采用颈部三自由度、颚部一个自由度，身体两个自由度的方案。使头部以及身体部分能分别依照各自自由度进行运动。（2）采用传统机器人的自动化技术结合传感器技术,利用程序控制机器人的动作。（3）头部与身体可同时分别做旋转，互不干扰。（4）充分体现了以机为主、机电结合的特色。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该生在文献综述中，对双足行走机器人的方展现状及功能进行了较为详细地综述，紧扣研究课题。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：该课题要求学生实际动手，设计双足行走机器人头部结构。其课题深度、广度及工作量符合本科毕业设计地要求。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日
